本成果基于間位芳綸材料,通過調控制膜配方以及制膜工藝,所制備的間位芳綸膜具有高的滲透通量、高的機械強度以及良好的耐酸堿性能。依托于自身實驗室的中試平板刮膜裝置,實現了間位芳綸膜的中試化制備,并且進行膜組件、膜設備的進一步放大設計。
一、項目分類
關鍵核心技術突破
二、技術分析
聚間苯二甲酰間苯二甲酰胺(PMIA))纖維是一種新型的有機耐高溫纖維,具有出色的綜合特性,包括良好的熱穩定性,化學穩定性,親水性和阻燃性。膜材料的耐壓性和耐熱性是膜分離工藝長期運行所必需的,這些優異的性能使PMIA成為膜制備領域的關鍵性材料之一。此外,由于該材料易溶于普通有機溶劑中,因此,可以采用非溶劑誘導相轉化(NIPS) 法制備PMIA 超濾膜,這為工業化生產提供了可能。
目前我國的膜材料主要還是依賴于進口,并且親水性差、機械強度低、耐溶劑性能差等諸多問題,而間位芳綸膜材料已經實現了國產化,并且價格便宜,打破了國外壟斷的局面。基于間位芳綸材料,我們通過調控制膜配方以及制膜工藝,所制備的間位芳綸膜具有高的滲透通量、高的機械強度以及良好的耐酸堿性能。依托于我們實驗室的中試平板刮膜裝置,我們實現了間位芳綸膜的中試化制備,并且進行膜組件、膜設備的進一步放大設計。所開發的PMIA膜可以達到及其高于市場同種類產品,其產業化可大大豐富目前水處理市場。
平板膜純水通量不小于700L?m-2 ? h-1 ? bar-1(溫度 25℃(不含)以下),靜態水接觸角低于60°。【純水通量和接觸角測試方法依據國家標準 GB/T 32360-2015《超濾膜測試方法》】。
依托企業委托項目,開發出的中試膜樣品,已用于市政污水處理,出水水質優異。
(1)水的高品質回用
隨著經濟高質量發展,現代工業建設如火如荼,農村改造正在進行時,人民對政府的市政工程要求也越來越高,各行各業的發展以及人們日常生產生活都離不開用水,污水處理的需求量日漸增長。該項目所研究的芳綸平板膜用于污水的高品質回用處理能夠達到綠色高效的效果,不僅能解決由生產造成的環保問題, 而且能夠獲得污水中的有效成分, 提高資源的利用率。
(2)飲用水凈化
中國作為人口大國,飲用水的需求量巨大。對于處理地表水、地下水、海水淡化,從而得到可飲用的純凈水。與傳統的凈水處理技術相比,膜技術在對水質進行更深入的處理時,效率更高、實用性更強,效果更好。選用平板膜進行水凈化技術能夠大大節約能耗,達到飲用水的標準。
(3)有機物分離
該項目所制的平板膜也可用于食品、染料、醫藥等行業的生產工藝,在有機物分離方面高效且方便。近幾年的應用實踐證明, 我國膜分離技術已步入大規模工業應用階段, 市場潛力很大, 應用前景廣闊。
(1)市場狀況
近年來,隨著我國對節能環保、資源回收相關產業的日益重視,各級政府部門相繼出臺了一系列旨在推動膜技術應用產業發展的政策;化工與石化、生物制藥等行業也將膜分離技術作為清潔生產技術加以推廣。2021年6月,發改委出臺了《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》,提出了關于城市污水處理能力、再生水利用率、工業用水重復利用等污水資源化利用的要求;2021年7月,發改委又出臺了《“十四五”循環經濟發展規劃》,提出了到 2025年單位GDP 用水量較2020 年降低16%,強化清潔生產和推進園區循環化發展等目標。我們認為上述政策會刺激對膜分離工藝的需求,政策的大力支持為膜分離技術的應用 帶來了廣闊空間。
2018年中國膜產業的市場規模達到了1900億元,預計到2024年中國膜產業市場規模將達到3630億元(圖2)。并且以每年10%~15%的速度增長,規模龐大的膜市場需求使得我們所制備的膜材料有著良好的發展前景。
近年來我國對位芳綸發展迅速,多家企業的產業化技術取得突破,實現了批量生產。2019 年,國內芳綸總產量為13800噸,其中對位芳綸產量實現小幅增長,約為 2800噸;間位芳綸產量約為11000噸,總體達到國際先進水平。目前國產芳綸產品主要用于高溫過濾、防護、密封等材料中。
芳綸纖維最初由美國杜邦公司在20世紀60年代成功開發并率先產業化,經過60年的發展,杜邦芳綸無論是研發水平還是規模化生產都日趨成熟,占據技術和市場上的壟斷地位。目前,全球對位芳綸產量達8萬噸、間位芳綸產量達4萬噸。其中,杜邦對位芳綸和間位芳綸的市場份額分別占到51.6%和67.4%,日本帝人公司在對位芳綸的市場份額達到38.3%,國內企業泰和新材間位芳綸市場份額占世界第二。
我國芳綸產業起步相對較晚,但最近幾年也取得了長足發展,間位芳綸材料有著很多的優勢,并且目前已經實現了國產化,價格低廉,打破了國外壟斷的局面,這為我們以間位芳綸為材料制備高性能間位芳綸膜奠定了良好的基礎。
(2)效益分析
在當前市場,膜技術在污水處理行業推廣應用面臨的最重要的制約因素是較高的成本。隨著膜技術研發和應用的不斷推進,加上國產替代趨勢愈發明顯,膜材料及膜技術應用成本都趨于下降。而膜材料價格不斷下探,不僅拓寬了膜法水處理應用范圍,膜產品在污水處理領域大規模應用將成為現實。
間位芳綸材料價格約為100元/公斤,而進口的間位芳綸價格偏高,如杜邦的約為360元/公斤、帝人的約為340元/公斤,國產間位芳綸的價格僅為進口的1/3,大大降低了制膜原料的成本。根據表1,我們對制膜原料成本進行了預估,每平方米PMIA超/微濾膜大概需要66元。經過對五家知名膜分離公司調研發現近五年來膜產品的凈利潤不低于10%,有很大的市場和發展空間。
表1 間位芳綸膜材料生產成本明細
原料名稱 |
單價 |
規格 |
費用/m2 |
間位芳綸 |
100元/公斤 |
Mw ~ 200000 g⋅mol−1 |
17元 |
無紡布 |
10元/平方米 |
------- |
10元 |
溶劑 |
18000元/噸 |
國標,99.9% |
29元 |
添加劑 |
110元/公斤 |
工業級,99% |
10元 |
合計 |
|
|
66元 |
圖1五類膜分離公司的凈利率
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